1.1x STM32 GPIO Ports

16 I/O-Pins werden zu einem Port {GPIOA,GPIOB…} zusammengefasst. Hier werden Pin PB1, PB0 von GPIOB und PC1, PC0 von GPIOC betrachtet. Soll ein Pin (Anschluss) an einem µC kann als Eingang oder als Ausgang verwendet werden gibt es dabei viele Einstellmöglichkeiten. Bevor ein Pin genutzt werden kann wird er bei der Initialisierung konfiguriert.

Zur Verdeutlichung wird ein Testprogramm von Arduino-Befehlen auf direkte GPIO-Registerverwendung umgebaut.

Info: pinMode() stellt die Hardware-Register ein:

• Die Clock für den Port einschalten: RCC->AHBENR
• Port-Mode für den Pin: MODER, PUPDR, OTYPER
• Ausgabetreiber-Geschwindigkeit: OSPEEDR auf Maximum = 3

void setup(){
  pinMode(PB0,INPUT_PULLDOWN);
  pinMode(PB1,INPUT_PULLDOWN);
  pinMode(PC0,OUTPUT);
  pinMode(PC1,OUTPUT);
}

void loop(){
  int a;
  a = digitalRead(PB0);
  digitalWrite(PC0,a);
  a = digitalRead(PB1);
  digitalWrite(PC1,a);
}

An den Eingängen PB1 und PB0 sind beispielsweise Schalter (DIP-switch) gegen VCC angeschlossen, die wir abfragen möchten. Damit bei geöffneten Schaltern der Eingang nicht im “Floating” ist schalten wir die internen PullDown-Widerstände des µC ein. Mit der Arduino-Funktion pinMode(PB1,INPUT_PULLDOWN) wird dies mühelos für PB1 und entsprechend für PB0 eingestellt. Aber was passiert dabei im Hintergrund, welche Hardwareeinstellungen werden dabei genau getätigt, wie könnte dies ohne pinMode() erreicht werden?

Die Register in den Ports werden durch ein Clock-Signal gesteuert, das erst in einem Register AHB peripheral clock enable register (RCC_AHBENR) eingeschaltet werden muss [Referenz Manual rm0038 S153ff.] Ohne pinMode() muss dafür diese Zeile vor allen anderen GPIOB-> eingefügt werden:
RCC->AHBENR |= (1<<1); // Enable the GPIOB clock

1. 00: Input (Reset Status)
2. 01: GPIO (ODR-Ausgabe)
3. 10: Alternative Funktion
4. 11: Analog Modus

Nach dem Reset sind die Bits 0 also alle Pins erst mal Eingänge hier muss nichts geändert werden.

1. 00: No PullUp, PullDown
2. 01: PullUp
3. 10: PullDown

Mit INPUT_PULLDOWN wird für PB0 0b10 eingestellt. Für PB1 muss dafür an Bit 3 eine 1 und an Bit 2 eine 0 eingestellt werden. Wir könnten das so programmieren:

GPIOB->PUPDR |= 0b1010; // oder
GPIOB->PUPDR |= 0xA;    // oder
GPIOB->PUPDR |= (0b10 << 2) | (0b10 << 0); // oder
GPIOB->PUPDR |= (0b10 << 1*2) | (0b10 << 0*2); 

Allgemein für PBn: (0b10 << n*2).

Die Clock für GPIOC aktivieren:
RCC->AHBENR |= (1<<2); // Enable the GPIOC clock
Im MODER für die Pins 0b01 einstellen:
GPIOC->MODER |= (0b01 << 1*2) | (0b01 << 0*2); // 0b0101, 0b5

void setup(){
  RCC->AHBENR |= (1<<1);  // Enable the GPIOB clock
  GPIOB->PUPDR |= 0b1010; // PB1 und PB0 PullDown an
  RCC->AHBENR |= (1<<2);  // Enable the GPIOC clock
  GPIOC->MODER |= 0b0101; // PC1 und PC0 als Ausgaenge
}

Arduino Funktionen

void setup(){
  pinMode(PB0,INPUT_PULLDOWN);
  pinMode(PB1,INPUT_PULLDOWN);
  pinMode(PC0,OUTPUT);
  pinMode(PC1,OUTPUT);
}

void loop(){
  digtalWrite(PC0,digitalRead(PB0));
  digtalWrite(PC1,digitalRead(PB1));
}

Hardwareregister verwenden

void setup(){
  RCC->AHBENR |= (1<<1); // Enable the GPIOB clock
  GPIOB->PUPDR |= 0b1010; // PB1 und PB0 PullDown an
  RCC->AHBENR |= (1<<2); // Enable the GPIOC clock
  GPIOC->MODER |= 0b0101; // PC1 und PC0 als Ausgaenge
}

void loop(){
  GPIOC->ODR = (GPIOC->ODR & ~0b11) | (GPIOB->IDR & 0b11);
}

Zum einfachen Verändern von Bits im ODR ohne dass das ODR erst geladen verändert und wieder gespeichert werden muss gibt es das BSRR. Schreiben von 1en in die unteren 16 Bit bewirken ein Setzen und in die obern 16 Bit ein Rücksetzen des ODR-Bits. Falls beides gleichzeitig gemacht werden sollte hat Setzen Priorität.
Beispiele:

• PC0 setzen: GPIOC->BSRR = 0b1;
• PC1 setzen: GPIOC->BSRR = 0b10;
• PC0 rücksetzen: GPIOC->BSRR = 0b1<<16;
• PC1 rücksetzen: GPIOC->BSRR = 0b10<<16;
• PC1 und PC0 setzen: GPIOC->BSRR = 0b11;
• PC1 setzen und PC0 rücksetzen: GPIOC->BSRR = 0b10 | (0b1 << 16);